REDUÇÃO E RETARDO DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL DAS ÁGUAS PLUVIAIS EM TELHADO VERDE

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1 REDUÇÃO E RETARDO DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL DAS ÁGUAS PLUVIAIS EM TELHADO VERDE Jefferson da Costa 1 Cristiano Poleto 2 Silvana da Silva Ramme 3 1 Resumo Após a década de 70, houve no Brasil uma grande migração da população do campo para a cidade, resultando em um crescimento exponencial dos centros urbanos. Este processo acelerado e não planejado de urbanização resultou em mudanças nas condições naturais das bacias hidrográficas, principalmente em razão da remoção da cobertura vegetal original do ambiente, o que ocasionou uma mudança na permeabilidade natural destas áreas. Devido a esta impermeabilização, houve redução do volume de infiltração da água precipitada, acarretando em aumento do escoamento superficial das águas pluviais e consequentemente, inúmeros problemas ambientais, tais como inundações, erosões e danos à qualidade da água dos corpos d água. No intuito de estudar alternativas sustentáveis, dentro da visão ambientalista dos sistemas de drenagem urbana, que buscassem minimizar os picos de vazão das águas pluviais e melhorar a distribuição destas ao longo do tempo, este estudo objetivou verificar se as aplicações dos conceitos de telhado verde propiciariam a diminuição e/ou o retardo do escoamento superficial em residências unifamiliares comuns. Para tanto, utilizou-se de um protótipo de telhado para realização de simulações de chuva e captação de dados em duas diferentes superfícies: lisa (telhado comum) e vegetada (telhado verde). Os ensaios foram realizados em ambiente controlado, isolando-se as variáveis clima e temperatura. Os resultados demonstraram que o sistema de telhado verde ajuda a diminuir o volume de água ejetado para o sistema de drenagem, pois o absorve parcialmente, bem como contribui para a redução dos picos de vazões do escoamento superficial das bacias hidrográficas e suas consequentes enchentes.

2 2 Introdução Devido ao crescimento populacional após a década de 1970, segundo Tucci (2005a), houve um crescimento urbano significativo que acarretou em um processo acelerado e não planejado de urbanização, resultando em mudanças nas condições naturais das bacias hidrográficas. 1 UTFPR - Acadêmico do curso de Engenharia Civil 2 UFRGS - Coorientador 3 UTFPR - Orientadora e professora da universidade Conforme Silveira (2002, apud Poleto, 2011), como consequência da urbanização, acabou-se intensificando a impermeabilização do solo, assim, reduzindo a infiltração das águas precipitadas. Este fato gera um aumento acentuado no escoamento superficial de águas pluviais e gerando um maior volume de águas para drenagem. Com este fato, segundo Poleto (2011), surgiram os Sistemas Urbano de Drenagem Sustentável (SUDS), que propõe controlar o escoamento superficial, aumentar a infiltração do solo, busca melhorar o equilíbrio do ciclo hidrológico e incentivar o uso sustentável da água. De acordo com Souza (2005), este conceito do tratamento da drenagem urbana, controla não somente o pico de vazão, mas também o volume, frequência e duração, além da qualidade do escoamento. 3 Fundamentação teórica Para melhor compreender a influência do telhado verde na drenagem urbana, primeiramente precisa-se entender alguns conceitos de sustentabilidade, drenagem, medidas de controle de inundações e a estrutura do telhado verde. 3.1 Sustentabilidade

3 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 O Desenvolvimento Sustentável surgiu nas últimas décadas do século XX, para traduzir várias ideias e preocupações devido à gravidade dos problemas que causam riscos às condições de vida no planeta (MENDES, 2009). Logo, pode-se afirmar que a sustentabilidade busca conciliar a questão ambiental com a questão econômica incorporando o princípio básico da continuidade, nada pode ser sustentável se não for contínuo (DE LIMA, 2006). Neste contexto, o uso racional de recursos escassos vai exigir produtos e processos que estejam baseados na inovação, conservação e invenção de todos os tipos de produtos recicláveis e biodegradáveis (RATTNER, 1999). Portanto, uma forma de sustentabilidade para a drenagem urbana é buscar aproximar as condições naturais da bacia. 3.2 Drenagem urbana As primeiras aglomerações urbanas buscavam-se localizar junto a mananciais, tendo em vista que a disponibilidade de água favorecia o seu suprimento para consumo e higiene das populações, efetuando ainda a evacuação dos dejetos (BAPTISTA & NASCIMENTO, 2001 apud MOURA, 2004). Porém, as áreas mais próximas dos cursos d águas apresentam maiores riscos de inundação. Em face destes riscos o homem age sobre estes de várias formas, desde modificando seus traçados até os canalizando ou cobrindo (MOURA, 2004). De acordo com De Almeida e Da Costa (2014), no Brasil, muitas cidades sofrem com problemas de alagamentos, inundação, cheia, consequentes de vários fatores que estão diretamente ligados a ação do poder público na área de habitação e no saneamento básico. A urbanização afeta diretamente o ciclo hidrológico: A falta de planejamento urbanos referentes principalmente à drenagem e o uso inadequado do solo, geram problemas de difícil solução e estruturas onerosas. Tais ocupações inadequadas do solo, aumentam a impermeabilização do mesmo, o que altera o ciclo hidrológico natural da bacia, diminuindo a

4 infiltração da água no solo, a recarga do lençol freático e gera um aumento expressivo do escoamento superficial das águas pluviais nos sistemas de drenagem até os corpos hídricos (MONTES & LEITE, 2014). As alterações ambientais causadas pela urbanização podem ser observadas na mudança da curva do hidrograma original do ciclo hidrológico para uma bacia natural. A United States Geological Survey (2003) comparou duas bacias similares próximas os efeitos no ciclo hidrológico de uma tempestade em um riacho, conforme a Figura 1. Figura 1: Vazões em Bacias Hidrográficas com características fisiográficas similares, mas com diferentes usos do solo (urbana e rural). Fonte: USGS (2003). Do estudo, faz-se a análise: Mercer Creek (zona urbana) tem seu pico de vazão mais intenso e antecipado, quando comparado com Newaukum Creek (zona rural), que se assemelha ao ciclo natural. Assim, observa-se nas zonas urbanas o aumento da vazão máxima, a antecipação do tempo do pico do escoamento superficial, bem como do seu volume (DA COSTA, COSTA & POLETO, 2012). Conforme a USGS (2003), tais picos de vazão resultam em um aumento de frequência e gravidade de inundações, além da intensificação dos processos erosivos com aumento da produção, transporte e deposição de sedimentos.

5 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 As alternativas de controles de cheia: Na literatura, são descritos dispositivos alternativos para o controle de cheias urbanas, tais como o uso de pavimentos porosos, o armazenamento de água em telhados, a construção de pequenos tanques residenciais e poços subterrâneos, que produzem a redução distribuída do efeito da urbanização (TUCCI, 1995 apud MONTES & LEITE, 2014). A escolha do sistema a ser implantado deve ser realizada considerando-se os diversos aspectos intervenientes no meio, desde os aspectos técnicos até os ambientais, sanitários, sociais, econômicos, políticos, paisagísticos e etc. (MOURA, 2004). Portanto, vê-se a importância da boa gerência do sistema de drenagem, adotando os conceitos sustentáveis de drenagem, pois a má gerência do sistema gera inúmeros danos ambientais e à população. 3.3 Medidas de controle de inundações Conforme Tucci (2005b), as medidas de controle do escoamento podem ser classificadas de acordo com sua ação na bacia hidrográfica, como distribuída na fonte (lotes, praças e passeios), microdrenagem (loteamentos) e macrodrenagem (principais riachos urbanos). De acordo com Montes e Leite (2014), as principais medidas de controle são o aumento de áreas de infiltração e percolação; e armazenamento temporário em reservatórios residenciais. Conforme Tucci (2005b), para minimizar os impactos a jusante, uma das ações é a de permitir maior infiltração da precipitação, criando condição, a mais próxima possível, às condições naturais. O armazenamento pode ser efetuado em telhados, em pequenos reservatórios residenciais, em estacionamentos em áreas esportivas, entre outros (TUCCI, 2005b).

6 Existem, portanto, inúmeras formas de armazenar os grandes volumes de águas de drenagem, podendo, assim melhor distribuindo estas ao sistema conforme as necessidades deste. 3.4 Telhado verde Os registros históricos mostram que o telhado verde é uma técnica construtiva antiga primeiramente usada pelos zigurates da antiga Mesopotâmia, atual sul do Iraque e na Babilônia, devido ao desempenho térmico proporcionado (SILVA, 2011). Nos anos 1950, a Alemanha foi pioneira em pesquisas científicas sobre o tema que tinha como objetivo a conservação das águas e energia através desse sistema construtivo (FERREIRA & MORUZZI, 2014). De acordo com Jobim (2013), o telhado é composto por 5 camadas: vegetação, substrato, camadas de filtragem, drenagem e impermeabilização, apoiadas na estrutura. Durante e após fortes chuvas, os materiais de planta, substrato e a camada de drenagem projetada em um telhado verde podem absorver quantidades significativas de precipitação e escoamento de águas pluviais (CANTOR, 2008 apud BALDESSAR, 2012). A Figura 2 demonstra claramente a diferença que causa o escoamento superficial (ARAÚJO, 2007). Figura 2: Comparação de escoamento do telhado verde com o comum.

7 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 Fonte: Laar (2002 apud ARAÚJO, 2007). Conforme demonstrado acima, a mudança do tipo de superfície e da sua infiltração altera-se o volume escoado. 4 Materiais e métodos O estudo se baseia, através de ensaios, na comparação do retardo do escoamento superficial com o uso do telhado verde em comparação com o telhado comum. Para que os ensaios se aproximem da realidade de uma chuva e possível comparação com a simulação adotada, assumiu-se como local de adoção do valor de intensidade pluviométrica máxima a região do município de Toledo PR, por ser a cidade de aplicação do estudo. O valor adotado para a determinação da intensidade pluviométrica máxima ( ) na região foi obtida através da equação abaixo elaborada por Frendrich (1987 apud FESTI, 2009). = 1.062,92, ( +5), Eq. (1) Onde: = intensidade pluviométrica máxima, em mm/h; = tempo de retorno, em anos; = tempo de duração da chuva, em min. Na elaboração do protótipo do telhado verde (sistema extensivo) optou-se por montá-lo a partir de uma estrutura de chapas e cantoneiras de aço, devido suas

8 características de impermeabilidade (pois não se desejava que houvessem perda de água), resistência e facilidade de montagem. Adotou-se como inclinação do telhado de 15%, pois o telhado verde deve apresentar uma baixa inclinação (entre 5º e 20º - de 8,7 a 36,4%) para evitar que haja deslizamento dos componentes do telhado verde e necessidade de travamento destes. Esta inclinação é também usualmente adotada para telhados mais simples, como os de cimento amianto e de zinco, oferecendo assim, uma comparação justa entre os sistemas tradicionais e de telhado verde. Após a montagem da estrutura, deu-se início à vedação da estrutura, cujo objetivo era que não houvesse nenhum vazamento pelas frestas entre as chapas. Para isso, utilizou-se silicone comum com auxílio da pistola de aplicação. Posterior a secagem do silicone, aplicou-se uma emulsão asfáltica conhecida como Neutrol por toda a superfície das chapas. Em seguida fez-se a instalação da calha de alumínio checando o nivelamento. Em sequência, fez-se a colocação da argila expandida sobre o telhado (que serve para a drenagem da água excedente da vegetação e solo do telhado), com aproximadamente 10 cm de espessura (conforme as recomendações práticas para montagem do telhado verde) e sobre esta colocou-se a manta de drenagem, que tem a função de filtragem da água, não permitindo que as partículas do solo sejam levadas com a mesma. Em seguida, foi depositada a vegetação, a qual continha uma camada de solo. A vegetação escolhida para a elaboração do protótipo foi a grama tipo esmeralda (Zoysia japonica), devido à sua rusticidade, porte baixo (sistema extensivo) e custo baixo, além do fácil acesso à essa espécie na região. Após a realização de testes, deu-se início aos ensaios, ilustrado na Figura 3.

9 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 Figura 3: Simulação da chuva durante os ensaios. Estes ensaios se basearam na aplicação de água através do esguicho de forma a preencher toda a superfície do telhado, em movimentos de ziguezague ao longo desta. Tais ensaios apresentavam o tempo de simulação de chuva de 5 min. 5 Resultados e discussões A Figura 4 deixa mais clara a diferença do volume de escoamento ao longo do tempo dos dois sistemas, mostrando que a vazão resultante do telhado verde busca se aproximar suavemente a do telhado comum. Figura 4: Volumes dos ensaios de ambos os telhados.

10 Na figura acima, observa-se que no telhado comum que o início do registro da vazão se dá logo nos primeiros segundos de ensaio, pois nesse tipo de sistema de telhado, não há barreiras que interceptam a água para que possa retardá-la. O tempo entre o início do escoamento no protótipo e a chegada à calha coletora foi somente o tempo necessário para que a água atravesse o sistema (telhado, calha de captação e balde de coleta), algo em torno de 15s. Nota-se também que para o telhado verde há um atraso no início do registro de vazão para o sistema de telhado verde, consequência dos obstáculos formados pelos elementos deste. Vê-se também, que a água leva mais de 1 min para chegar ao sistema de registro de vazão, diferente do telhado anterior, que já no primeiro ponto de coleta de dados, apresenta registro de vazão. Quando comparadas as vazões sobre um mesmo gráfico (Figura 5), é possível notar que a amplitude em relação ao tempo, do telhado verde, é menor que o telhado comum, o que demonstra a sua melhor distribuição do volume de água ao longo do tempo e do espaço. Figura 5: Médias das vazões dos ensaios de ambos os telhados. A vazão da água, para os ensaios do telhado comum, tem uma variação brusca no começo dos ensaios (Figura 5), o que explica o início imediato do registro de vazão dos ensaios de telhado comum (Figura 4). Bem como, é abrupta a redução da vazão com o término do ensaio (aos 5 min) e é extinta rapidamente.

11 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 Dadas as proporções, vê-se que a Figura 5 apresenta o comportamento similar ao que ocorre na Figura 1 deste trabalho, podendo-se fazer uma analogia entre os resultados, comparando o telhado comum à uma bacia urbana, e o telhado verde à uma bacia rural, demonstrando que a disseminação do uso do telhado verde poderá auxiliar a controlar a vazão de uma bacia hidrográfica urbana e aproximar esta à uma bacia rural (ou natural). 6 Conclusões Quando observada a metodologia aplicada para a simulação da chuva, vê-se que o sistema é válido para o que foi proposto, pois se comparados os volumes finais obtidos nos ensaios com o telhado comum (máximo de 18,1 L/min) com sua média aritmética (17,7 L/min), obtém-se uma variação máxima de 2,26%, podendo-se considerar baixa. Percebe-se que cerca de 4,84% do volume d água dos ensaios ficaram retidos no sistema. Este percentual de perda pode ter sido ocasionado em função de respingos para fora do telhado, vazamento na calha e/ou até devido a possíveis pequenas falhas presentes na montagem do sistema. Tal diferença pode ser considerada baixa e natural, não comprometendo os resultados, visto que os fatos também podem ocorrer em uma situação real de telhado. A comparação das vazões em relação ao tempo de escoamento de ambos os sistemas evidencia que, mesmo em um caso de total saturação do solo, o sistema de telhado verde ajuda a retardar o volume d água ejetado no sistema de drenagem, pois este telhado absorve temporalmente a vazão, amenizando sua chegada no sistema de drenagem. Assim sendo, com base nos resultados obtidos neste trabalho, fica cabível argumentar que o sistema de telhado verde auxilia de forma significativa na redução e no retardo do escoamento superficial. No formato do estudo, pode-se afirmar que esse retardo, em um dado momento, chega até a 26,0% do volume esperado de ejeção de

12 água ao sistema de coleta e apresenta uma melhor distribuição da vazão ao longo do tempo. Da mesma forma, ao considerar-se que as ocorrências de inundações urbanas (enchentes) são diretamente ligadas e influenciadas pela ejeção direta das águas das chuvas escoadas pelos telhados e sistemas de condução destas (uma consequência da urbanização e uns dos causadores da não permissividade da infiltração das águas das chuvas no solo), pode-se afirmar que o telhado verde contribui para a redução dos picos de vazões das bacias hidrográficas e suas consequentes enchentes. Cabe ressaltar, que as conclusões obtidas neste trabalho, quanto a eficiência no retardo do escoamento superficial, valem também para os demais sistemas que substituem as áreas impermeáveis por áreas vegetáveis, demonstrando assim, a importância de haver áreas permeáveis nos centros urbanos para a minimização de enchentes e inundações. 7 Referências ARAÚJO, S. R. As Funções dos Telhados Verdes no Meio Urbano, na Gestão e no Planejamento de Recursos Hídricos. Instituto Florestal. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica RJ, BALDESSAR, S. M. N. Telhado Verde e Sua Contribuição na Redução da Vazão da Água Pluvial Escoada. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal do Paraná, Curitiba PR, DA COSTA, J.; COSTA, A.; POLETO, C. Telhado Verde: Redução e Retardo do Escoamento Superficial. Revista de Estudos Ambientais, v. 14, n. 2esp, p , DE ALMEIDA, D. S.; DA COSTA, I. T. A Drenagem Urbana Das Águas Pluvias e Sua Relação com o Meio Ambiente e a Saúde Pública no Município de Santana, 2014 DE LIMA, S. F. Introdução ao Conceito de Sustentabilidade, Aplicabilidade e Limites. Caderno de Escola de Negócios. UniBrasil, Curitiba PR, FERREIRA, C. A.; MORUZZI, R. B. Considerações Sobre a Aplicação do Telhado Verde Para Captação de Água de Chuva em Sistemas de Aproveitamento Para Fins Não Potáveis. Departamento de Planejamento Territorial e Geoprocessamento. Universidade Estadual de São Paulo, São Carlos SP, 2014.

13 IV ENDICT Encontro de Iniciação Científica Câmpus Toledo 20 e 21 de outubro de 2016 FESTI, A. V. Coletânea das Equações de Chuvas do Brasil. XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos ABRH, Campo Grande MS, MENDES, J. M. G. DIMENSÕES DA SUSTENTABILIDADE. 59 f. Revistas da Faculdade Santa Cruz, v.7, n.2. Faculdade Santa Cruz Inove, Curitiba PR, MONTES, R. M.; LEITE, J. F. A Drenagem Urbana de Águas Pluviais e Seus Impactos Cenário Atual da Bacia do Córrego Vaca Brava Goiânia GO. Departamento de Engenharia Engenharia Ambiental. Universidade Católica de Goiás, Goiânia GO, MOURA, P. M. Contribuição Para a Avaliação Global de Sistemas de Drenagem Urbana. Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte MG, POLETO, C. SUDS (Sustainable Urban Drainage Systems): Uma Contextualização Histórica. Revista Thema, RATTNER, H. Sustentabilidade - uma visão humanista. Ambiente & Sociedade, Scielo Brasil, SILVA, N. C. Telhado Verde: Sistema Construtivo de Maior Eficiência e Menor Impacto Ambiental. Departamento de Engenharia de Materiais e Construção. Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte MG, SOUZA, C. F. Mecanismos técnico-institucionais para a sustentabilidade da drenagem urbana. 174 f. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre RS, TUCCI, C. E. M. Gestão de Águas Pluviais Urbanas. Ministério Público Federal. 2005ª. TUCCI, C. E. M. Gestão de Inundações Urbanas. Ministério das Cidades - Global Water Partnership - Wolrd Bank - Unesco. Ministério Público Federal, 2005 b. USGS. USGS hydrologic data in and around Mecklenburg County, 2003.